熱力学と生命

Aug 16, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11159 (2023) この記事を引用

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現在の研究では、2 つのシステム設計で新しい充電ステーションの熱力学的評価とライフサイクル評価 (LCA) を実行しています。 目標は、固体酸化物燃料電池 (SOFC) 技術を使用して、高効率で環境への影響が少ない電気自動車用の効率的な充電ステーションを設計することです。 SOFC は、内燃機関と比較して、持続可能で環境に優しい発電技術であると考えられています。 性能を改善するために、SOFC スタックの排熱は電解槽での水素製造のために回収されます。 このシステムは 4 つの SOFC を使用して電気自動車を充電し、出力された熱は有機ランキン サイクル (ORC) によって回収され、電解槽での水素製造用のさらなる電力を生成します。 最初の設計では、SOFC スタックが 1 日の 24 時間全負荷で動作すると想定されていますが、2 番目の設計では 16 時間の全負荷動作と 8 時間の部分負荷 (30%) 動作が考慮されています。 システムの 2 番目の設計では、電力負荷が低下したときに過剰な電力を蓄える \({\mathrm{LiMn}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}\) リチウムイオン電池を統合する可能性を分析しています。は低く、電力需要が高い場合のバックアップとして機能します。 熱力学解析の結果、エネルギーとエクセルギーの全体効率がそれぞれ 60.84% と 60.67% と計算され、対応する電力と水素の生産量は 284.27 kWh と 0.17 g/s でした。 電流密度が高くなると、SOFC の出力が増加する一方で、全体のエネルギー効率とエクセルギー効率が低下することが観察されました。 動的動作では、バッテリを使用すると電力負荷の変化のバランスが取れ、電力需要の同時変化に対するシステムの動的応答が向上します。 LCA 結果では、284.27kWh のシステムが、Solid を使用した場合、5.17E+05、4.47E+05、および 5.17E+05 の地球温暖化 (kg \({\mathrm{CO}}_{2}\) eq) を引き起こすことも示しました。それぞれ、酸化物電解装置 (SOE)、固体高分子交換膜電解装置 (PEME)、およびアルカリ電解装置 (ALE) です。 この点で、PEME の使用は、SOEC や ALE と比較して環境への影響が最も低くなります。 異なる ORC の作動流体の環境への影響の比較でも、R227ea の使用に反対することが示唆されましたが、R152a はシステムでの使用に有望な結果を示しました。 サイズと重量の調査では、バッテリーが他のコンポーネントと比較して体積と重量が最小であることからメリットが得られることも明らかになりました。 この研究で検討したコンポーネントの中で、SOFC ユニットと PEME の体積が圧倒的に大きくなります。

現在の電気自動車 (EV) の進歩に伴い、大規模な導入を加速するには政策に加えて必要なインフラも改善する必要があります1。 EV のさらなる商業化に対する主な障壁の 1 つは、世界中で充電ステーションが不足していることです2。 必要な電力を生成するために適切なテクノロジーを選択することについては、依然として議論の余地があります3。 たとえば、ケーススタディとして、スカンジナビアとドイツの EV 需要は、コスト最小化投資モデルを使用して風力発電と火力発電によって賄われています4。 候補となる技術は、さらなる投資の有望な選択肢となるように、効率的で環境に優しいものでなければなりません。 さらに、Jayachandran ら 5 が述べているように、パフォーマンスを最適化するために、配信システムの動作条件に集中的な努力を払う必要があります。 ガスの輸送損失は電気の輸送損失よりもはるかに小さいため、充電ステーションでの燃料電池の使用は興味深い選択肢となり得ます。

燃料電池は、環境に優しい方法で電気を生成する電気化学装置です6。 燃料電池は、排出量が少なく効率が良いため、化石燃料ベースのデバイスの競争力のある代替品と考えられており、参考文献 7 で述べられているように、エネルギー密度の点で電池よりも全体的に有利です。 Malik ら 8 は比較研究を実施し、動作温度範囲が 800 °C ～ 1200 °C の固体酸化物燃料電池 (SOFC) が主に定置用途に使用されているのに対し、陽子交換膜燃料電池 (PEMFC) はより多くの用途に使用されていることを強調しました。移動目的に適しています。 SOFC は高温で動作するため、Fuerte ら 9 と Saadabadi ら 10 がそれぞれ言及しているように、アンモニアやバイオガスなどの燃料をより柔軟に選択できるようになります。 SOFC の動作プロセス中にも熱が生成されるため、SOFC の排熱を再利用するサイクルを統合することは、より効率的な統合システムを設計する上で興味深いものです。